Überblick über die Forschungsschwerpunkte
Unser Team untersucht aquatische Mikroben unter dem Aspekt der Biodiversität, ihrer Beziehung zu Ökosystemfunktionen (z. B. Stickstoffkreislauf) und ihrer Auswirkungen auf die Wasserqualität in aquatischen Ökosystemen, die vom Klimawandel betroffen sind. Unser Ziel ist es, aus regionaler und globaler Sicht zu verstehen, wie sich Veränderungen der mikrobiellen Artenvielfalt aufgrund von Umweltveränderungen auf Ökosystemleistungen und die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen auswirken, einschließlich der in ihnen lebenden Tiere. Zu diesem Zweck setzen wir groß angelegte Meta- und Genomanalysen ein und kombinieren sie mit zeitlich begrenzten Feldstudien in gemäßigten und tropischen Gewässern und umfangreichen Laborexperimenten.
Expertise
- Mikrobielle Biodiversität und Evolution
- Mikrobielle Ökophysiologie
- Stickstoffkreislauf
- Wirt-Mikroben-Interaktionen
- Metagenomik
Laufende Projekte
(1) Aquatische Mikrobiome im globalen Klimawandel
Die aquatische Umwelt verändert sich aufgrund der Bedrohung durch den Klimawandel rasch. In Süßwassersystemen ist die biologische Vielfalt der Tiere viermal schneller zurückgegangen als in der Meeresumwelt. Die mikrobielle Artenvielfalt von Süßwasserökosystemen im Binnenland, die beispiellosen anthropogenen Bedrohungen ausgesetzt sind und in denen planktonische Prokaryoten die Grundlage des Nahrungsnetzes bilden und wichtige Ökosystemdienstleistungen wie die Entgiftung von Ammoniak und anderen Schadstoffen erbringen, ist jedoch noch wenig erforscht.
Wir werden die genetische Vielfalt von Meeres- und Süßwassermikroorganismen anhand von weltweit gesammelten Metagenomen katalogisieren und zeitliche Trends anhand von Metagenomen, die über 20 Jahre hinweg gesammelt wurden, bewerten. Mithilfe von Vorhersagemodellen werden wir die Bestimmungsfaktoren für die Entwicklung der mikrobiellen Biodiversität auf regionaler und globaler Ebene bewerten. Unser Ziel ist es, die Biodiversitätsdynamik der wichtigsten Ökosystemdienstleister zu verstehen, um Informationen für die Bewirtschaftung und Erhaltung von Ökosystemen zu erhalten.
Probenahme der mikrobiellen Artenvielfalt in aquatischen Systemen, einschließlich europäischer Seen der gemäßigten Zonen, in denen sich nitrifizierende Prokaryoten über Jahrtausende klonal entwickelt haben. Bildnachweis: David Ngugi
(2) Mikrobiome pflanzenfressender Fische und ihre ökologischen Auswirkungen auf das Ökosystem der Riffe
Herbivore Meeresfische sind die „Kühe des Ozeans“. Sie ernähren sich von einer Vielzahl mariner Makroalgen und beeinflussen so die biogeochemischen Prozesse und die Ökologie des Riffökosystems. Da jede Art auf die Algenart spezialisiert ist, von der sie sich ernährt, untersuchen wir die funktionelle Vielfalt ihres Mikrobioms mit Hilfe von Metagenomik und bewerten potenzielle Aktivitäten mit Hilfe von Metatranskriptomik sowie In-vivo- und Feldexperimenten. Unser Ziel ist es, die Rolle des Darmmikrobioms bei der Assimilation von Meeresalgen und die Auswirkungen dieser Darmprozesse auf die biogeochemischen Kreisläufe im Riff zu verstehen.
Mageninhalt von pflanzenfressenden Doktorfischen
(3) Biodiversität und Evolution des Mikrobioms von Süßwasserschwämmen
Süßwasserseen können große Schwammpopulationen aufweisen, die sich im Sommer vermehren. Sie filtern täglich große Mengen an Wasser und können bis zu 95 % der Bakterien und Schwebstoffe entfernen. Einige Bakterien werden mit der Nahrung aufgenommen, während sich andere als Teil des Schwamm-Mikrobioms entwickeln.
Wir untersuchen die genetische Vielfalt der mit Schwämmen assoziierten Mikroben weltweit, um mehr über ihre Rolle in Süßwassersystemen zu erfahren, insbesondere als Reservoir für antimikrobielle Resistenzen. Außerdem untersuchen wir die Evolution des Süßwasserschwamm-Holobionten, wobei wir uns auf das Mikrobiom und seine Auswirkungen auf die Wirtsentwicklung und die Anpassung an den Lebensraum konzentrieren.
Die Metagenome von Süßwasserschwämmen sind in öffentlichen Sequenzdatenbanken unterrepräsentiert. Ihre marinen Gegenstücke sind ein „Hotspot“ der antimikrobiellen Resistenz (Ngugi et al., in prep.). Bildnachweis: Thorsten Reusch/ Michelle Fernandes
Andere laufende Projekte (extern)
- Identität, Infektionsstrategie und biogeochemische Auswirkungen von Nitrifikanten-infizierenden Viren [SPP2330, Projekt PE2147/5-1]
- Ökologische Relevanz von Nukleotid-Salvage-Wegen in aquatischen Lebensräumen: Bedeutung für mikrobielle Bioenergetik und Nährstoffdynamik [DFG, PN44123226]
Derzeitige Mitarbeiter:Innen
Michelle de Fernandes (PhD candidate, GEOMAR/CAU)
János Papendorf (external PhD candidate, TU Braunschweig)
Sunwoo Lee (MSc thesis student, CAU)
Ilayda Yesil (MSc thesis student, CAU)
Annemarie Roggentin (MSc thesis student, University of Wurzburg)
Olivia Soutschek (Bachelor thesis student, University of Hamburg)
Tanja Rahn (Technical assistant)
Potturi Chandra Sekhar (Bioinformatics research assistant, CAU)
Ehemalige Gruppenmitglieder
Dr. Basak Öztürk (visiting scientist)
Dr. Ann-Carol Karanja (visiting scientist, Kenyatta University)
Katharina Sühl (MSc student, CAU)
Justyna Barys (external PhD candidate, TU Braunschweig)
5 Veröffentlichungen (insgesamt 45; die vollständige Publikationsliste ist in Google Scholar oder ORCID) verfügbar
- Cui G, Ngugi DK, Konciute M, Cheng S, Liew KX, Mi J, Al-Baili S, and Aranda M. (2026). Algal symbiosis adaptively restructures the cnidarian microbiome to enhance holobiont metabolism. Nature Communications (in press)
- Moncadas LS, Ruscheweyh H-J, Woodhouse J, Salcher MM, Okazaki Y, Ngugi DK, Pester M, Posch T, Ghai R, Grossart H-P, Sunagawa S, Pernthaler J, and Andrei A-S. (2026). Global mitogenomic atlas illuminates freshwater microeukaryote diversity. Nature Communications (in press).
- Papendorf J, Ngugi DK, Büsing P, Reiman N, Wittmann J, Hahnke R, Kirstein S, Bunk B, Rohde M, Müsken M, Neumann-Schaal M, and Pester M. (2026). Viral infection collapses intracytoplasmic membrane integrity and autotrophic metabolism in ammonia-oxidizing Nitrosomonas europea. ISME Communications, 6: ycag170, https://doi.org/10.1093/ismeco/ycag170.Ngugi DK, Salcher MM, Andrei A-S, Ghai R, Klotz F, Chiriac M-C, Ionescu D, Buesing P, Grossart H-P, Xing P, Priscu JC, Alymkulov S, and Pester M. (2023). Postglacial adaptations enabled colonization and quasi-clonal dispersal of ammonia-oxidizing archaea in modern European large lakes. Science Advances, 9:adc9392.
- Ngugi DK, Silvia GA, Sánchez P, Gasol JM, Agusti S, Karl DM, and Duarte CM. (2023). Abiotic selection of microbial genome size in the global ocean. Nature Communication, 14: 1384.
- Pogoreutz C, Oakley CA, Raedecker N, Cárdenas A, Perna G, Peng L, Davy SK, Ngugi DK, and Voolstra CR. (2022). Coral holobiont cues prime Endozoicomonas to a symbiotic lifestyle. The ISME Journal, 16:1883–1895.
Offene Stellen
Wir suchen derzeit enthusiastische Studenten, die sich unserer Gruppe anschließen möchten, einschließlich Studenten, die an einer BSc- und MSc-Arbeit interessiert sind. Forschungspraktikanten sind ebenfalls willkommen. Wenn Sie sich für eines unserer Forschungsthemen interessieren (z. B. Antibiotikaresistenz, Wirt-Mikroben-Interaktionen, mikrobielle Biodiversität, Metagenomik) oder eine gute Idee haben, kommen Sie bitte vorbei oder schreiben Sie uns eine E-Mail (David Ngugi, dngugi@geomar.de). Wir können auch Doktoranden helfen, sich für Stipendien zu bewerben, um ihre Forschungsarbeit in unserem Labor zu unterstützen.
Derzeitige Co-Partner
Prof. Dr. Michael Pester, Leibniz Institute DSMZ (German Collection of Microorganisms and Cell Cultures), Braunschweig, Germany
Prof. Dr. Lesego Molale-Tom, North-West University, South Africa
Prof. Dr. Hans-Peter Grossart, Leibniz Institute for Freshwater Ecology and Inland Fisheries, Berlin, Germany
Dr. Michaela M. Salcher, Institute of Hydrobiology, Biology Center CAS, Czechia
Prof. Daniel Abel Shilla, University of Dar es Salaam, Tanzania
Dr. Adrian Stefan-Andrea, Limnological Station, University of Zurich, Switzerland
Dr. Anncarol Karanja, Kenyatta University, Nairobi, Kenya
Prof. Carlos M. Duarte, King Abdullah University of Science & Technology, Saudi Arabia
Dr. Silvia G. Acinas, Institut de Ciències del Mar (ICM), CSIC, Barcelona, Spain
Prof. Dr. Christian Voolstra, University of Konstanz, Germany
Prof. Dr. Sarahi L. Garcia, University of Oldenburg, Germany
